Titolazione chimica, teoria e sistemi di titolazione automatica
La titolazione è una tecnica di analisi molto diffusa in chimica analitica, utile per determinare con precisione la quantità o concentrazione di una sostanza.
È particolarmente importante in tutti quei processi industriali, di produzione e di trasformazione, dove è cruciale conoscere con esattezza la concentrazione di una specie chimica, in quanto questa contribuisce sensibilmente alla qualità del prodotto finito o all’efficienza di un processo.
In questo articolo inizieremo col ripassare i concetti teorici principali, passando poi a valutare le differenze tra la modalità di analisi manuale e la titolazione automatica, vedendo cosa ci serve per effettuare analisi professionali e rapide. Infine, ripasseremo le varie tipologie di titolazione e gli ambiti in cui questa tecnica analitica trova applicazione.
INDICE
1 - Teoria della titolazione chimica
Definizione di titolazione chimica
La titolazione è una tecnica di misurazione quantitativa: la concentrazione di un analita in soluzione è determinata a seguito del completamento della reazione tra la sostanza da misurare e un reattivo. Questo reagente, denominato titolante, è aggiunto lentamente alla soluzione contenente la specie da misurare (analita). Mentre il titolante viene aggiunto, si verifica una reazione chimica tra il titolante e l’analita. Il punto in cui la reazione è completa e sono presenti quantità equivalenti di titolante e analita (in rapporto stechiometrico equivalente) è chiamato punto di equivalenza.
Glossario: analita, titolante, stechiometria
Ricapitoliamo e approfondiamo i terminiutilizzati.
Analita: Sostanza, la cui concentrazione deve essere determinata durante l'analisi
Titolante: Reagente a titolo noto, che viene aggiunto gradualmente alla soluzione, che reagisce con l'analita e consente di determinarne la concentrazione
Stechiometria: Parte della chimica che studia le relazioni numeriche fra elementi e composti, le proporzioni secondo le quali gli elementi si combinano, e le quantità di elementi o di composti che prendono parte a una reazione chimica o che si formano in essa.
Punto di equivalenza: Il punto di equivalenza, o punto stechiometrico, di una reazione chimica è il punto in cui la quantità di titolante aggiunta è esattamente quella richiesta dalla reazione stechiometrica dell'analita. Il punto di equivalenza costituisce il risultato ideale da ricercare in una titolazione. Ciò che effettivamente si misura è il punto finale attraverso un'improvvisa variazione di una proprietà fisico o chimica della soluzione.
Curva di titolazione: rappresentazione grafica della variazione di un parametro scelto per la soluzione in esame a seguito dell'aggiunta di un volume di soluzione titolante.
2 - Titolazione chimica: come effettuare l'analisi
La titolazione classica manuale prevede l’utilizzo di una buretta graduata in vetro caricata con il titolante ed un rubinetto per l’aggiunta goccia a goccia del reagente fino ad apprezzare un cambiamento di colore (viraggio) che indica la fine della reazione. Questo rende il calcolo finale molto soggettivo e dipendente dall’operatore. Solitamente il raggiungimento del punto di fine può essere determinato da un indicatore di colore aggiunto nella soluzione o da una variazione chimico fisica, quantificabile a sua volta, che avviene nella soluzione.
Un esempio di variazione è quella misurabile attraverso il pH o il potenziale redox del campione in esame. Un repentino cambiamento o il raggiungimento di un valore predefinito di pH segna la fine della titolazione, definito anche come endpoint (punto di fine titolazione).
La tecnica della titolazione chimica si basa quindi sulla determinazione della concentrazione di un analita a partire dal volume e concentrazione noti del titolante aggiunto.
Le titolazioni si basano su reazioni chimiche che devono soddisfare quattro requisiti:
- La reazione tra l'analita e il titolante deve avvenire rapidamente, e non deve generare reazioni secondarie
- La reazione deve risultare completata
- La reazione deve essere nota, in particolare bisogna conoscere la reattività e stechiometria tra analita e titolante (quanto analita reagisce con una quantità nota di titolante)
- La reazione si deve basare su un metodo adeguato nel quale è facilmente rilevabile il punto di fine (end point)
Per avere garanzia di risultati sempre precisi, senza rischi di errori nella valutazione soggettiva del punto di fine, è oggi consiglibiale dotarsi di sistemi di titolazione automatica.
3 - Sistemi di titolazione automatici
Le titolazioni assicurano precisione e rappresentano dei metodi alternativi per la determinazione di specie chimiche. Inoltre offrono molti vantaggi come rapidità del risultato e utilizzo di strumentazioni piuttosto semplici. Un titolatore automatico consiste in una strumentazione completa di:
- dispensatore automatico del titolante
- agitazione del campione
- sensore in grado di riconoscere il punto di fine della reazione.
Conoscendo la concentrazione del titolante, il volume aggiunto per raggiungere l’end point e il peso molecolare dell’analita calcola in automatico la concentrazione della sostanza ignota, restituendo il risultato direttamente sul display.
In questo modo il laboratorista non deve preoccuparsi di determinare a mano il punto di fine della titolazione, si elimina del tutto il fattore soggettivo dell’operatore.
Questa tecnica analitica è in forte crescita e Hanna offre burette automatiche motorizzate a pistone ad elevata precisione (40.000 passi) in grado di dosare un volume minimo di titolante: fino a 0,001 mL con una siringa da 5 mL. Questo consente una aggiunta del titolante precisa e ripetibile. Inoltre mediante l’utilizzo di sensori potenziometrici sempre più avanzati non è più necessario utilizzare indicatori di colore. Il punto di fine titolazione è riconosciuto in automatico dal titolatore mediante i segnali elettrochimici rilevati nel campione in analisi e inviati dal sensore allo strumento. Un software interno al titolatore fornirà in tempo reale il grafico di titolazione e il risultato sul display.
Per ogni aggiunta (dose) di titolante sarà registrato il valore rilevato dal sensore, in questo modo è possibile definire con esattezza l’end point e assicurare analisi accurate e risultati ripetibili.
Cosa serve per procedere con una titolazione automatica?
L'attrezzatura necessaria per effettuare una titolazione automatica prevede quindi:
- - un titolatore automatico completo di pompa con buretta motorizzata
- - titolante stabilizzato e standardizzato
- - una pipetta volumetrica per misurare con precisione il volume del campione da analizzare
- - un sensore (pH/ORP/ISE) per monitorare la reazione chimica
- - un meccanismo di agitazione (interna o esterna)
I titolatori Hanna sono già forniti di agitazione incorporata ma possono essere anche compatibili con un agitatore magnetico esterno. In alcuni casi è necessaria anche una bilancia analitica per pesare il campione.
Per un'ulteriore automazione del processo di titolazione, nel caso sia necessario titolare più campioni, ci si può dotare di un campionatare automatico.
4 - Tipologie di titolazione potenziometrica
Con un titolatore automatico potenziometrico Hanna è possibile eseguire una gran varietà di titolazioni:
Titolazione Acido-base
La titolazione acido base è tra le titolazioni più frequenti e prevede una reazione fra un acido e una base in un mezzo acquoso o non acquoso. È utilizzata ad esempio per la determinazione dell’alcalinità dell’acqua, dell’acidità del vino e di altri prodotti alimentari come succhi di frutta, latte e aceto.
Titolazione Redox (di ossido riduzione)
Si basa sulla reazione tra una specie ossidante e una riducente. Durante la titolazione lo ione ossidante (che può essere l’analita o il titolante) si riduce (ovvero acquista elettroni) mentre lo ione riducente si ossida perdendo uno o più elettroni. Trova applicazione ad esempio nel settore alimentare per la determinazione della solforosa libera e totale nel vino e la misura della vitamina C (acido ascorbico), nell’ambito chimico e nell'industria galvanica, ad esempio nella determinazione del ferro in soluzioni acide.
Titolazione Complessometrica
Si utilizza per la determinazione di cationi come calcio, rame e zinco. Ovvero tutte quelle specie chimiche in grado di complessare molecole come EDTA (acido etilendiamminotetracetico) in funzione del pH della soluzione. Trova applicazione soprattutto nel settore dell’industria chimica e nel settore ambientale. Per questo tipo di titolazioni è necessario abbinare un elettrodo ione selettivo (ISE) specifico per la molecola d’interesse.
Titolazione di precipitazione
Si utilizzano per la titolazione di specie chimiche in grado di generare in soluzione la formazione di un precipitato (in alcuni casi torbido, in altri anche colorato). A mano a mano che il titolante è dosato, si verifica la formazione di un precipitato insolubile. Quando il titolante si complessa a tutto l’analita presente ed inizia ad essere aggiunto in eccesso si determina la formazione di un complesso ad indicare la fine della titolazione. Un esempio di titolazione di precipitazione è la determinazione dei cloruri nelle acque e negli alimenti o l’argento nei metalli preziosi. Anche per queste titolazioni, solitamente si abbina un elettrodo ione selettivo.
Titolazione Argentometrica
Le titolazioni argentometriche sono una sottofamiglia delle titolazioni di precipitazione in quanto sfruttano la non solubilità dei sali di argento. Questi sali si formano quando come titolante si utilizza il nitrato d’argento. Una delle titolazioni più conosciute è quella della determinazione dei cloruri e del cloruro di sodio che utilizza un elettrodo ISE argento/solfuri.
Titolazione Non Acquosa
Si utilizza quando l’analita ha scarsa solubilità in acqua. È possibile titolare sostanze chimiche con caratteristiche di acidi o basi molto deboli, sono effettuate in solventi non acquosi abbinando degli elettrodi di pH specifici per solventi. Un esempio di titolazione non acquosa è la misura degli isocianati nelle plastiche.
Con i titolatori automatici Hanna è inoltre possibile effettuare misure dirette di pH, potenziale redox e misure dirette di ioni specifici mediante elettrodi ione selettivi (ISE).
Altre tipologie di titolazione
Altre tipologie di titolazioni sono quelle Karl Fischer per la misura del contenuto d’acqua in diversi campioni, soprattutto solventi non acquosi. Ovvero delle titolazioni il cui punto di fine è determinato per via amperometrica. Queste tipologie di titolatori includono:
- La titolazione coulometrica Karl Fischer (per campioni con un contenuto d’acqua fino a 5%)
- La titolazione volumetrica Karl Fischer (per campioni con contenuto d’acqua fino al 100%)
5 - Applicazioni e metodi
Elenco dei metodi Standard
- Acidità dell’acqua
- Alcalinità dell’acqua
- Cloruri nell’acqua
- Neutralizzazione con acido solforico
- Neutralizzazione con soda
- Standardizzazione del titolante 0.02 M Nitrato D’Argento
- Standardizzazione del titolante 0.1M Solfato ferrico d’ammonio
- Standardizzazione del titolante 0.1M NaOH
- Standardizzazione del titolante 0.1M SodioTiosolfato
- Standardizzazione del titolante 0.1N HCl
Elenco dei metodi per Enologia
- pH
- Acidità totale
- Solforosa libera (Metodo Ripper)
- Solforosa totale (Metodo Ripper)
- Acido ascorbico
- Zuccheri riduttori
- Acidità volatile (necessario apparato di distillazione)
- Numero di formolo (azoto)
- Potassio
- Cloruri
Elenco dei metodi per settore Petrolchimico
- Acid Number (Bianco) ASTM D664
- Acid Number in accordo a ASTM D664 - Punto di equivalenza
- Acid Number in accordo a ASTM D664 - Punto di fine fisso
- Base Number (Bianco) ASTM D4739
- Base Number in accordo a ASTM D4739 - Punto di equivalenza
- Base Number in accordo a ASTM D4739 - Punto di fine fisso
- Standardizzazione del titolante 0.1M HCl in Isopropanolo
- Standardizzazione del titolante 0.1M KOH in Isopropanolo
- Standardizzazione del titolante 0.2M HCl in Isopropanolo
Elenco dei metodi per settore Alimentare
- Acidità e grassi liberi nell’olio di oliva
- Acidità in conserve alimentari
- Acidità in pasta acida
- Acidità nei prodotti caseari
- Acidità oli alimentari
- Acidità titolabile in latte e yogurt
- Acido acetico in aceto balsamico
- Acido acetico in peso e volume nei prodotti alimentari
- Acido ascorbico (vitamina C) nei succhi di frutta
- Acido citrico in peso e volume nei prodotti alimentari
- Acido lattico % in peso e volume nei prodotti lattiero caseari
- Acido lattico in gradi Soxlet Henkel in peso e volume nei prodotti lattiero caseari
- Alcalinità in bevande alimentari
- Ammonio e azoto Kjeldahl
- Calcio nel formaggio
- Calcio nel latte, yogurt in % e mg in peso e volume
- Cloruri nel burro salato secondo ISO 15648
- Cloruri nel formaggio secondo DIN EN ISO 5943
- Cloruri nel latte in peso e volume
- Cloruri nell’acqua potabile
- Cloruro di sodio nel latte in peso e volume
- Nicotina nel tabacco mediante titolazione non acquosa
- Numero d’acidità nel miele
- Perossidi negli oli ad uso alimentare
- Perossidi negli oli non raffinati
- Perossido nell’olio di oliva
- Sodio nel formaggio
- Sodio nella carne
- Sodio nella produzione di margarina
- Sodio nelle salse alimentari
- Solfiti in aceto balsamico
- Solfuro di idrogeno o solfuro in acqua
- Zuccheri riduttori nel miele
Elenco dei metodi per Ambiente e Industria
- Acidi grassi liberi negli oli e grassi commestibili
- Acido cloridrico in soluzione
- Acido nitrico in bagni galvanici
- Acido solforico in bagni galvanici
- Alcalinità dell’acqua (dolce e di mare)
- Alcalinità di soluzioni di lavaggio
- Alluminio e magnesio in bagni galvanici
- Alluminio in bagni galvanici
- Argento in bagni galvanici
- Bicarbonato e carbonato in una soluzione
- Bromuro e cloruro in soluzioni
- Calcio e magnesio nei campioni di processo
- Chimica-Galvanica
- Cianuri
- Citrato nei detergenti
- Cloro libero
- Cloruri in bagni galvanici
- Cromo (III) e Cromo (VI) in bagni galvanici
- Determinazione contenuto Fos/Tac in un impianto di biogas
- EDTA nei saponi
- Ioni di ammonio
- Ioni di ferro(II) in soluzioni acide
- Ipoclorito
- Isocianati nelle plastiche
- Litio
- Manganese in bagni galvanici
- Nichel tramite titolazione di ritorno con EDTA
- Oro e palladio in bagni galvanici
- Perossidi
- Sodio dicromato in bagni galvanici
- Solfato in soluzione acquosa con elettrodo ISE calcio
- Stagno in bagni galvanici
- Valore di acidità nelle plastiche
- Zinco in bagni galvanici
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